基于太陽能電源的生態(tài)公路照明光源比選

孫遜，劉麗萍，趙林

（1唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司 河北唐山 063000 2河北理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與自動控制學(xué)院 河北唐山 063009）

針對公路建設(shè)的環(huán)境問題，人們一直在探索如何在可持續(xù)發(fā)展理論的指導(dǎo)下使公路建設(shè)與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，于是提出了生態(tài)公路的理念。生態(tài)公路是生態(tài)學(xué)與公路建設(shè)相結(jié)合的產(chǎn)物，其發(fā)展應(yīng)遵循自然生態(tài)規(guī)律與區(qū)域公路的發(fā)展要求，生態(tài)公路照明理所當(dāng)然也要符合生態(tài)環(huán)保和節(jié)能低碳的建設(shè)要求[1]。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

項(xiàng)目位于中國北方某資源型城市市區(qū)南部，該地區(qū)原為采煤塌陷區(qū)，屬次生下沉式濕地，總面積達(dá)2000公頃，過去曾經(jīng)滿目狼藉，環(huán)境惡劣，經(jīng)過多年綜合治理，現(xiàn)在已經(jīng)建成獨(dú)具北方園林景觀特色的城市中央生態(tài)公園。該項(xiàng)目名稱是生態(tài)公園環(huán)湖生態(tài)景觀公路，工程穿行于湖區(qū)大小水體周邊，成為該市發(fā)展?jié)竦厣鷳B(tài)旅游的重要基礎(chǔ)性工程。

工程包括環(huán)湖主線和各支線、連接線工程，總長33.7km，總投資2.3億元。為了保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整，建設(shè)者對該項(xiàng)目表現(xiàn)出了超常的環(huán)境關(guān)注，項(xiàng)目通過采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)施工和生態(tài)環(huán)保技術(shù)，處處追求環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、園林景觀的有效協(xié)調(diào)，既達(dá)到了“景中有路、路即是景、渾然一體”的建設(shè)定位，又達(dá)到了工程造價(jià)、工期、質(zhì)量、安全等方面的嚴(yán)格要求，項(xiàng)目的成功建設(shè)極大地補(bǔ)充和豐富了生態(tài)公路設(shè)計(jì)理念，成為環(huán)境友好、資源節(jié)約、人與道路、環(huán)境相互協(xié)調(diào)的典范。該工程項(xiàng)目建議書榮獲“2009年度河北省優(yōu)秀工程咨詢成果三等獎(jiǎng)”，施工圖設(shè)計(jì)榮獲“2009年河北省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)”。

1.2 生態(tài)公路照明要求

眾所周知，生態(tài)公路是建立在交通發(fā)展與環(huán)境相互協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，以生態(tài)系統(tǒng)自然的良性循環(huán)為基本原則，綜合考慮決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、管理的全過程，在一定區(qū)域范圍內(nèi)結(jié)合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展?fàn)顩r而建立起來的公路系統(tǒng)。為了給游人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安全，該項(xiàng)目全線設(shè)置功能照明。

首先，生態(tài)公路照明要滿足功能要求。各種照明設(shè)備、節(jié)能措施必須達(dá)到安全可靠、科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)使用、維護(hù)方便的要求。實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、按規(guī)劃建設(shè)，既要保證照明系統(tǒng)功能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和節(jié)能效果，又要防止以犧牲照明效果單純追求節(jié)能[2]。

其次，生態(tài)公路照明要追求生態(tài)節(jié)能目標(biāo)。當(dāng)前，建設(shè)節(jié)約型社會和低碳經(jīng)濟(jì)已成為我國的一項(xiàng)重要國策，建設(shè)部頒發(fā)的《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》對道路照明要求年節(jié)電目標(biāo)達(dá)5%，2006～2010年累計(jì)節(jié)電要達(dá)到25%，因此節(jié)電已成為道路照明的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

再次，道路照明節(jié)能已經(jīng)不單純是節(jié)電問題，同時(shí)要運(yùn)用價(jià)值工程手段，考慮投資成本、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備管理以及道路的照明功能技術(shù)指標(biāo)等問題，在制定節(jié)電方案和進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)予以解決。

2 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

在資源日益缺乏的今天，太陽能是新世紀(jì)最理想的清潔能源、綠色能源，利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，可以緩解環(huán)保壓力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，這也正符合生態(tài)公路的環(huán)保節(jié)能要求，因此該項(xiàng)目的功能照明電源選擇太陽能光伏發(fā)電。

2.1 發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P－N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴。在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運(yùn)動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。

2.2 太陽能獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠；另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，不和外部電網(wǎng)產(chǎn)生關(guān)系[3]。

獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中。在日照不足時(shí)，儲存在蓄電池中的能量經(jīng)過全橋逆變器后變成SPWM波，然后再經(jīng)過濾波和工頻變壓器升壓后變成交流220V、50Hz的正弦電壓供給交流負(fù)載使用。

3 光源匹配比選

目前道路照明節(jié)能多以應(yīng)用新技術(shù)為主，推廣和應(yīng)用高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈、熒光燈、LED燈、無極燈等新光源，逐步淘汰了白熾燈、汞燈等低效照明產(chǎn)品，節(jié)能方案和道路照明設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出百家齊放的局面。該生態(tài)公路照明項(xiàng)目基于太陽能電源，選用匹配光源并優(yōu)化節(jié)能方案成為重要工作。

3.1 光源分析

通過對目前使用的各種光源性能參數(shù)的比較，同時(shí)考慮生態(tài)公路照明的要求，研究發(fā)現(xiàn)自鎮(zhèn)流高壓汞燈、白熾燈的光效過低，造成能源浪費(fèi)，路面照明水平也很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，已經(jīng)屬于淘汰光源。

高壓鈉燈具有光效高、壽命長的特點(diǎn)，顯色性也符合一般道路照明要求，所以它可在各類道路上使用。如果從光源發(fā)光效率的角度來看，低壓鈉燈是目前光效最高的光源，但它的顯色性不好，而且高壓鈉燈的光效仍在不斷地提高，比較而言，低壓鈉燈已無優(yōu)勢。

金屬鹵化物燈、細(xì)管徑熒光燈、緊湊型熒光燈等光源的顯色性好，發(fā)光效率也比較高，適合在居住區(qū)環(huán)境使用，可實(shí)現(xiàn)尊重人的感受，強(qiáng)調(diào)以人為本的理念。

LED燈是固體發(fā)光二極管點(diǎn)光源，每粒功率為0.5～1W，大功率應(yīng)用場合需要多粒集中在一起才可以實(shí)現(xiàn)，多用于顯示照明、交通信號燈、汽車尾燈、公路誘導(dǎo)照明等，目前也有用于道路照明的實(shí)例。但是由于功率小、光效低、光衰大、發(fā)熱量高，導(dǎo)致節(jié)能效果差；由于具有刺眼眩光和閃爍，光污染嚴(yán)重；由于采用半導(dǎo)體技術(shù)，生產(chǎn)過程的能耗高；道路照明中由于要上百粒LED集中在一塊很大的線路板上，燈具反光器設(shè)計(jì)困難，推廣應(yīng)用難度大。

無極燈（電磁感應(yīng)燈）采用電磁感應(yīng)原理，先由電產(chǎn)生磁場，再由磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，應(yīng)用藕合震蕩原理將產(chǎn)生的高頻電壓注入到真空的玻殼或玻管里，與三基色熒光粉及惰性氣體作用發(fā)光。無極燈的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，與其它光源相比，具有長壽命、高效節(jié)能、高顯色性、高功率、無頻閃、低眩光、綠色環(huán)保、免維護(hù)的特點(diǎn)。無極燈還具有更可靠的瞬間啟動性能，同時(shí)低熱量輸出，具有更可靠的抵抗電壓劇烈波動的能力。無極燈的暖白光接近于陽光的表現(xiàn)效果，可視性更好，比黃色的鈉燈更合適應(yīng)用于道路照明。不僅如此，暖白光的核心優(yōu)勢還在于它的照明效率更高，耗電量更少，更符合環(huán)保照明和綠色照明的要求，在能源危機(jī)和溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重的今天是有巨大推廣普及潛力的。

3.2 太陽能與無極燈結(jié)合理論研究

針對太陽能光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)和無極燈的電磁感應(yīng)原理，將太陽能技術(shù)和電磁感應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)照明的設(shè)計(jì)思路是完全可行的。這一結(jié)論在國內(nèi)已有部分工程實(shí)例。最早實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)構(gòu)想的是復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，它與生產(chǎn)廠家合作研究提出了太陽能電磁感應(yīng)燈道路照明系統(tǒng)概念，這一節(jié)能解決方案充分利用了雙方的優(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域應(yīng)用不僅節(jié)約了電能，而且能大大簡化煩瑣的照明布線問題，每一個(gè)光源都是一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[4]。

由于無極燈沒有電極，因此在燃點(diǎn)過程中受供電電壓不穩(wěn)定的影響很小，在太陽能照明使用中光源的性能保持穩(wěn)定。與傳統(tǒng)光源相比，不會產(chǎn)生因多次燃點(diǎn)造成燈管的發(fā)黑和光衰大的現(xiàn)象。無電極結(jié)構(gòu)和感應(yīng)放電可以使光源的壽命和性能得到很好的保證。為了降低照明系統(tǒng)的成本和提高能源利用效率，無極燈設(shè)計(jì)了直流工作的高頻發(fā)生器。太陽能系統(tǒng)的蓄電池提供的低壓直流直接升壓為逆變需要的高壓。通過功率因子校正后，直流作為逆變電路的輸入。逆變電路在自行設(shè)計(jì)的集成電路芯片的控制下工作，得到的高頻交流電能作為耦合線圈的輸入。集成芯片還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光的功能，同時(shí)可以作為系統(tǒng)的保護(hù)控制，當(dāng)工作電路出現(xiàn)短路或者斷路等異常情況時(shí)，芯片會自動切斷輸出信號，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。采用了這樣的芯片技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對無極燈的調(diào)頻調(diào)光，由于燈的感抗是正比于通過它的電流的頻率的，燈的工作頻率升高，就意味著增大感抗，于是流過燈的電流下降，燈功率隨之下降。通過實(shí)現(xiàn)太陽能電池和無極燈的最佳匹配和協(xié)調(diào)控制，可以保證太陽電池發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池的合理利用，并利用智能控制延長蓄電池壽命，達(dá)到最大限度環(huán)保。

3.3 在生態(tài)公路照明中的應(yīng)用實(shí)踐

（1）系統(tǒng)組成

該環(huán)湖生態(tài)景觀公路進(jìn)行了試驗(yàn)段實(shí)踐，太陽能電源與無極燈光源匹配照明取得了預(yù)期效果。方案設(shè)計(jì)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成。第一部分是太陽能電池模塊，用以實(shí)現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上因?yàn)樘柲苁遣粩嘧兓模柲茈姵夭痪邆涮峁┖愣妷旱哪芰Γ运械奶柲芄╇娤到y(tǒng)都配合有蓄電池一起工作。第二部分是蓄電池，太陽能電池必須把電能存儲在蓄電池中，不能直接對負(fù)載供電，同時(shí)需保證太陽能電池和蓄電池之間的充電是單向的。第三部分是控制電路。控制電路是系統(tǒng)工作的核心，它的主要功能：一是控制太陽能電池與蓄電池之間的充放電；二是定時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)蓄電池對負(fù)載供電；三是保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全工作的保護(hù)控制。第四部分是無極燈光源，蓄電池電能經(jīng)過升壓后對無極燈供電，因無極燈的高頻發(fā)生器內(nèi)部本身具備boost升壓電路，所以它對蓄電池的供電電壓的要求大大降低了。

（2）方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

圖1是該項(xiàng)目工程試驗(yàn)路段，路面寬度5m。系統(tǒng)采用的太陽能板功率為330W，45度的傾斜角，12V的工作電壓；蓄電池采用400Ah；照明光源采用了兩個(gè)40W的無極燈，寬電壓設(shè)計(jì)。燈具的安裝高度10m，安裝間距15m，單側(cè)布置。照明控制系統(tǒng)采用時(shí)控方式，每天18：00時(shí)開始工作，24：00時(shí)關(guān)閉其中一個(gè)光源，第二天 6：00時(shí)關(guān)閉另一個(gè)光源。實(shí)踐證明，無極燈輸入電壓在9.5V～16V范圍內(nèi)均能夠啟動；負(fù)載的總功耗為85W，工作正常，可以得到15Lx的平均照度，滿足道路照明的要求[5]。

圖1 工程試驗(yàn)路段

4 結(jié)束語

太陽能是取之不盡的清潔能源，無極燈是長壽命、高光效的綠色光源，將太陽能技術(shù)和無極燈技術(shù)結(jié)合在一起，充分利用了雙方的優(yōu)點(diǎn)，形成一種節(jié)能環(huán)保的道路照明新方案，已經(jīng)在生態(tài)旅游公路等低等級道路上應(yīng)用成功。隨著各方面技術(shù)水平的不斷提高，產(chǎn)品的性能的不斷完善，這種照明節(jié)能技術(shù)解決方案一定會在高等級道路方面得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]黃小軍.生態(tài)公路建設(shè)的研究與實(shí)踐［M］.北京：人民交通出版社，2008.

[2]CJJ 45-2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

[3]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]陳育明，陳大華，李維德等.LVD無極燈［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2009.

[5]CJJ 89-2001.城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程［S］.